(57)【要約】【課題】  複雑な制御を行なうことなく、燃料電池の反応ガス流路内で生じた水を反応ガス流路外に排出する。【解決手段】  燃料電池は、電解質層を備えるＭＥＡ１２と、ガス拡散層１３を介してＭＥＡ１２に隣接するセパレータ２０とを備えている。セパレータ２０は、少なくとも一部が第１多孔質部５０によって形成される第１の面を備えている。また、セパレータ２０は、第１多孔質部５２に比べて気孔率および／または気孔径が小さく、第１多孔質部５０から水分を供給可能に配設された第２多孔質部５２によって、少なくとも一部が形成される第２の面を、備えている。このセパレータ２０は、第１の面において、単セル内反応ガス流路４０を形成すると共に、第２の面において、セル間冷却ガス流路を形成する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質層と、
該電解質層に隣接するガスセパレータであって、
少なくとも一部が第１の多孔質部によって形成される第１の面と、
前記第１の多孔質部に比べて気孔率および／または気孔径が小さく、前記第１の多孔質部から水分を供給可能に配設された第２の多孔質部によって、少なくとも一部が形成される第２の面と、を有し、
前記第１の面において、電気化学反応で利用する反応ガスが流れる反応ガス流路を形成すると共に、前記第２の面において、冷却ガスが流れる冷却ガス流路を形成するガスセパレータと
を備える燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池であって、
前記第１の多孔質部は、前記第１の面のうちの、前記反応ガス流路を形成する領域の少なくとも一部に配設され、
前記第２の多孔質部は、前記第２の面のうちの、前記冷却ガス流路を形成する領域の少なくとも一部に配設される
燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池であって、
前記冷却ガス流路と前記反応ガス流路とを接続し、前記冷却ガス流路を通過した冷却ガスを前記反応ガスとして前記反応ガス流路に導く接続流路をさらに備える
燃料電池。
【請求項４】
請求項１ないし３いずれか記載の燃料電池であって、
前記反応ガス流路は、水素を含有する燃料ガスが通過する燃料ガス流路および／または酸素を含有する酸化ガス流路を形成する酸化ガス流路であり、
前記ガスセパレータを、前記燃料ガス流路および／または前記酸化ガス流路を形成するために用いている
燃料電池。
【請求項５】
請求項１ないし４いずれか記載の燃料電池であって、
前記第１の多孔質部および前記第２の多孔質部は、前記反応ガス流路から前記反応ガスが排出される排出部近傍に対応する領域に設けられている
燃料電池。
【請求項６】
電解質層および電極を形成する部材と共に積層されて燃料電池を形成する燃料電池用ガスセパレータであって、
少なくとも一部が第１の多孔質部によって形成される第１の面と、
少なくとも一部が、前記第１の多孔質部に比べて気孔率および／または気孔径が小さく、前記第１の多孔質部から水分を供給可能に配設された第２の多孔質部によって形成される第２の面と
を備えるガスセパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池および燃料電池用ガスセパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池においては、電気化学反応の進行に伴ってカソードで水が生じ、生じた生成水はカソードに給排される酸化ガス中に気化する。そのため、酸化ガスの流路においては、生成水が凝縮して酸化ガスの流れを妨げるなどの不都合が生じるのを防止するために、生じた生成水を酸化ガスの流路から積極的に除去する構成を設けることが望ましい。なお、凝縮水の問題は、酸化ガスの流路においてのみ生じるわけではなく、アノードに供給される燃料ガスの流路においても、電解質層を介して酸化ガス流路側から混入する水蒸気や、予め燃料ガスが含有する水蒸気などに起因して生じ得る問題である。
【０００３】
特許文献１では、積層された単セル間に冷却水流路を設け、単セル内の酸化ガス流路と冷却水流路との間に多孔質体で形成したプレートを配置して、酸化ガス流路と冷却水流路との間の差圧制御により、カソードで生じた生成水を上記プレートを介して冷却水流路に排出する構成が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特表平１１−５０８７２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１の構成によれば、カソードで生じた生成水を多孔質プレートを介して冷却水流路側に排出するためには、酸化ガス流路と冷却水流路との間の差圧制御が必要となるため、システムが複雑化するという問題があった。
【０００６】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、複雑な制御を行なうことなく、燃料電池の反応ガス流路内で生じた水を反応ガス流路外に排出することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、燃料電池であって、
電解質層と、
該電解質層に隣接するガスセパレータであって、
少なくとも一部が第１の多孔質部によって形成される第１の面と、
前記第１の多孔質部に比べて気孔率および／または気孔径が小さく、前記第１の多孔質部から水分を供給可能に配設された第２の多孔質部によって、少なくとも一部が形成される第２の面と、を有し、
前記第１の面において、電気化学反応で利用する反応ガスが流れる反応ガス流路を形成すると共に、前記第２の面において、冷却ガスが流れる冷却ガス流路を形成するガスセパレータと
を備えることを要旨とする。
【０００８】
以上のように構成された本発明の燃料電池によれば、反応ガス流路中の水分は、第１の多孔質部に吸収された後、第２の多孔質部に供給されて、第２の多孔質部表面から冷却ガス流路中に放出することができる。これにより、複雑な制御を行なうことなく、反応ガス流路中の水分の除去を行なうことができる。このとき、第２の多孔質部は、第１の多孔質部に比べて気孔率および／または気孔径が小さいため、第２の多孔質部は、反応ガス流路と冷却ガス流路との間でガスが行き来するのを妨げる抵抗として働き、反応ガスと冷却ガスとが混合するのを抑えることができる。すなわち、反応ガスが冷却ガス流路側に漏れだして反応ガスの利用率が低下したり、冷却ガスが反応ガス流路側に混入するのを抑えることができる。また、第１の多孔質部は、気孔率／およびまたは気孔径がより大きいことにより、反応ガス流路中の水分を充分に吸収することができる。
【０００９】
本発明の燃料電池において、
前記第１の多孔質部は、前記第１の面のうちの、前記反応ガス流路を形成する領域の少なくとも一部に配設され、
前記第２の多孔質部は、前記第２の面のうちの、前記冷却ガス流路を形成する領域の少なくとも一部に配設されることとしても良い。
【００１０】
このような構成とすれば、反応ガス流路中の水分は、反応ガス流路を形成する領域に配設された第１多孔質部から第１多孔質部内に吸収され、吸収された水分は、冷却ガス流路を形成する領域に配設された第２多孔質部から、冷却ガス流路中に放出することができる。
【００１１】
本発明の燃料電池において、
前記冷却ガス流路と前記反応ガス流路とを接続し、前記冷却ガス流路を通過した冷却ガスを前記反応ガスとして前記反応ガス流路に導く接続流路をさらに備えることとしても良い。
【００１２】
このような構成とすれば、反応ガスと同種のガスを冷却ガスとして用いることになるため、第１および第２の多孔質部を介して反応ガスと冷却ガスとが混じり合うことがあっても、異種のガスが混入することに起因する不都合が生じることがない。また、上記構成によれば、予め冷却ガス流路を通過させることによって、電気化学反応に供する反応ガスを加湿することができる。したがって、固体高分子型燃料電池に適用する場合には、反応ガスが流入する流入部付近の領域において、電解質膜が乾燥するのを防止することができる。これにより、燃料電池に供給する反応ガスを加湿するための装置を不要としたり、加湿装置を小型化することが可能となる。
【００１３】
また、本発明の燃料電池において、
前記反応ガス流路は、水素を含有する燃料ガスが通過する燃料ガス流路および／または酸素を含有する酸化ガス流路を形成する酸化ガス流路であり、
前記ガスセパレータを、前記燃料ガス流路および／または前記酸化ガス流路を形成するために用いていることとしても良い。
【００１４】
このような構成とすれば、上記ガスセパレータを用いて形成した燃料ガス流路および／または酸化ガス流路形成部において、第１および第２の多孔質部を利用して効果的に排水を行なうことができると共に、反応ガスである燃料ガスおよび／または酸化ガスと冷却ガスとが混合するのを抑えることができる。
【００１５】
本発明の燃料電池において、
前記第１の多孔質部および前記第２の多孔質部は、前記反応ガス流路から前記反応ガスが排出される排出部近傍に対応する領域に設けられていることとしても良い。
【００１６】
反応ガス流路では、一般に、反応ガスの流れの下流側ほど内部の水分量は増加する。そのため、反応ガス流路から反応ガスが排出される排出部近傍に対応する領域とは、反応ガス流路において、最も水分量の多い領域である。したがって、上記構成とすることにより、水分量がより多い領域において、効率よく反応ガス流路から水分を除去することができる。
【００１７】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池用ガスセパレータなどの形態で実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．装置の全体構成：
Ｂ．セパレータが備える多孔質部：
Ｃ．水分授受の動作：
Ｄ．効果：
Ｅ．変形例：
【００１９】
Ａ．装置の全体構成：
図１は、本発明の好適な一実施例である燃料電池を構成する基本単位である単セル１０の構成を表わす分解斜視図である。また、図２は、単セル１０を構成するセパレータ２０の様子を表わす平面図である。
【００２０】
本実施例の燃料電池は、固体高分子型燃料電池であって、図１に示す単セル１０を複数積層して直列に接続したスタック構造を有している。単セル１０は、図１に示すように、膜−電極アセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）１２を、ガス拡散層１３，１４で挟持し、これらＭＥＡ１２およびガス拡散層１３，１４をさらに両側からセパレータ２０、２２によって挟持することによって構成されている（図１では、ガス拡散層１３は図示せず。図４参照）。
【００２１】
ＭＥＡ１２は、固体高分子電解質膜の両面に触媒層を形成することによって得られる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。触媒層は、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金を有する層である。また、ガス拡散層１３，１４は、ガス拡散性の導電性部材、例えば炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロス、あるいはカーボンペーパまたはカーボンフエルトなどによって形成することができる。
【００２２】
セパレータ２０，２２と、上記ガス拡散層に挟持されたＭＥＡ１２との間には、電気化学反応に供される反応ガスの流路が形成される。すなわち、セパレータ２０と、ガス拡散層１３を備えるＭＥＡ１２との間には、空気などの酸素を含有する酸化ガスが通過する単セル内酸化ガス流路が形成される。また、セパレータ２２と、ガス拡散層１４を備えるＭＥＡ１２との間には、水素を含有する燃料ガスが通過する単セル内燃料ガス流路が形成される。さらに、一つの単セル１０を構成するセパレータ２０と、隣接する単セル１０を構成するセパレータ２２との間には、冷却水が通過するセル間冷却水流路と、冷却ガスが通過するセル間冷却ガス流路とが形成される。このように本実施例の燃料電池では、セル間冷却水流路およびセル間冷却ガス流路が、隣り合うすべての単セル間に形成されているが、複数のセル毎に形成されることとしても良い。セパレータ２０，２２は、カーボンや金属などの導電性材料によって形成されており、ガスおよび水分が透過しない緻密体と、水分（液水あるいは水蒸気）の透過を許容する多孔体とから成る。この多孔質体の配置は、本発明の要部に対応しており、後に詳しく説明する。
【００２３】
図２（Ａ），（Ｂ）は、セパレータ２０をそれぞれの面から見た様子を表わす平面図である。図２（Ａ）は、図１に示すセパレータ２０において手前側に見えている面を表わす。図２中、Ａ方向は水平方向を表わし、Ｂ方向は鉛直方向を表わす。図２に示すように、セパレータ２０は、その外周近くに８個の孔を備えている。すなわち、セパレータ２０の水平方向の一辺の近傍には、この辺に沿って隣接する３つの孔である孔部２６ｂ，２２ａ，２４ａが設けられており、この辺に対向する辺の近傍には、同じく隣接する孔部２４ｂ，２２ｂが設けられている。また、セパレータ２０の鉛直方向の一辺の近傍には、この辺に沿って隣接する２つの孔である孔部２６ａ，２８ａが設けられており、この辺に対向する辺の近傍には、孔部２８ｂが設けられている。図１に示すように、上記８個の孔部と同様の孔部は、セパレータ２２の対応する位置にも設けられており、対応する位置に設けられた孔部は、スタック構造内で重なり合って、燃料電池の内部を単セル１０の積層方向に貫通する流体流路を形成する。
【００２４】
セパレータ２０，２２に形成された孔部２２ａは、酸化ガス供給マニホールドを形成し、孔部２２ｂは、酸化ガス排出マニホールドを形成する。酸化ガス供給マニホールドは、外部から酸化ガス（本実施例では空気）を供給されて、供給された酸化ガスを各単セル１０に分配するための流路であり、酸化ガス排出マニホールドは、各単セルから排出された酸化ガスを集合させて、燃料電池の外部に導くための流路である。また、孔部２４ａは燃料ガス供給マニホールドを形成し、孔部２４ｂは、燃料ガス排出マニホールドを形成する。燃料ガス供給マニホールドは、外部から燃料ガスを供給されて、供給された燃料ガスを各単セル１０に分配するための流路であり、燃料ガス排出マニホールドは、各単セルから排出された燃料ガスを集合させて、燃料電池の外部に導くための流路である。また、孔部２６ａは、冷却水供給マニホールドを形成し、孔部２６ｂは、冷却水排出マニホールドを形成する。冷却水供給マニホールドは、外部から冷却水を供給されて、供給された冷却水を各単セル１０間の冷却水流路に分配するための流路であり、冷却水排出マニホールドは、各単セル間の冷却水流路から排出された冷却水を集合させて、燃料電池の外部に導くための流路である。さらに、孔部２８ａは、冷却ガス供給マニホールドを形成し、孔部２８ｂは、冷却ガス排出マニホールドを形成する。冷却ガス供給マニホールドは、外部から冷却ガスを供給されて、供給された冷却ガスを各単セル１０間の冷却ガス流路に分配するための流路であり、冷却ガス排出マニホールドは、各単セル間の冷却ガス流路から排出された冷却ガスを集合させて、燃料電池の外部に導くための流路である。
【００２５】
セパレータ２０の一方の面には、孔部２２ａと孔部２２ｂとを連絡する酸化ガス流路形成部３０が設けられている（図２（Ａ）参照）。酸化ガス流路形成部３０は、ガス拡散層１３を備えるＭＥＡ１２との間に単セル内酸化ガス流路を形成する。酸化ガス供給マニホールドから各単セル１０に分配された酸化ガスは、上記単セル内酸化ガス流路を通過して、酸化ガス排出マニホールドに集合する。単セル内酸化ガス流路における酸化ガスの流れの方向を、図２（Ａ）において矢印で示している。
【００２６】
また、セパレータ２０の他方の面には、孔部２６ａと孔部２６ｂとを連絡する冷却水流路形成部３２が設けられている（図２（Ｂ）参照）。セパレータ２０は、隣接する他の単セルが備えるセパレータ２２と接するように配設されるため、上記冷却水流路形成部３２は、上記隣接するセパレータ２２との間にセル間冷却水流路を形成する。本実施例のセル間冷却水流路は、冷却水の流れが変更される折れ曲がり部を複数有するサーペンタイン流路である。なお、上記隣接するセパレータ２２には、セパレータ２０と接する面において、上記冷却水流路形成部３２と対応する形状の冷却水流路形成部３３が形成されており（図１参照）、この冷却水流路形成部３３は、隣り合うセパレータ２０に設けられた冷却水流路形成部３２と共に、上記セル間冷却水流路を形成する。冷却水供給マニホールドから各セル間冷却水流路に分配された冷却水は、上記セル間冷却水流路を通過して、冷却水排出マニホールドに集合する。セル間冷却水流路における冷却水の流れの方向を、図２（Ｂ）において矢印で示している。
【００２７】
さらに、セパレータ２０の他方の面には、孔部２８ａと孔部２８ｂとを連絡する冷却ガス流路形成部３４が設けられている（図２（Ｂ）参照）。この冷却ガス流路形成部３４は、上記隣接するセパレータ２２との間にセル間冷却ガス流路を形成する。なお、セパレータ２２には、セパレータ２０と接する面において、上記冷却ガス流路形成部３４と対応する形状の冷却ガス流路形成部３５が形成されており（図１参照）、この冷却ガス流路形成部３５は、隣り合うセパレータ２０に設けられた冷却ガス流路形成部３４と共に、上記セル間冷却ガス流路を形成する。冷却ガス供給マニホールドから各セル間冷却ガス流路に分配された冷却水は、上記セル間冷却ガス流路を通過して、冷却ガス排出マニホールドに集合する。セル間冷却ガス流路における冷却ガスの流れの方向を、図２（Ｂ）において矢印で示している。
【００２８】
なお、セパレータ２２において、冷却水流路形成部３３および冷却ガス流路形成部３５が設けられた面と反対の面には、孔部２４ａと孔部２４ｂとを連絡して、ガス拡散層１４を備えるＭＥＡ１２との間に単セル内燃料ガス流路を形成するための燃料ガス流路形成部が設けられている（図示せず）。燃料ガス供給マニホールドから各単セル１０に分配された燃料ガスは、上記単セル内燃料ガス流路を通過して、燃料ガス排出マニホールドに集合する。
【００２９】
ここで、図１および図２では、酸化ガス流路形成部３０は、平坦な底面を有する凹部として表わしているが、酸化ガス流路形成部３０および燃料ガス流路形成部は、所定の凹凸形状を設けて、凸部において隣り合う部材と接することで、導電性を確保することとしても良い。設ける凹凸形状は、例えば、略平行な複数の溝状流路群としても良く、あるいは、凹部の底面から突出する複数の凸部を設けることとしても良い。また、酸化ガス流路形成部３０および燃料ガス流路形成部は、平坦な底面をもつ凹部として形成し、この凹部内にガス拡散層をはめ込むことによって、ガス流路を形成することとしても良い。なお、冷却ガス流路形成部３４においても同様に、所定の凹凸形状を設けることとしても良い。
【００３０】
Ｂ．セパレータが備える多孔質部：
図３は、単セル１０の内部構成を模式的に表わす断面図である。図３は、図２に示したセパレータ２０における３−３断面に対応する断面の様子を示している。セパレータ２０は、多孔質体によって形成される第１多孔質部５０および第２多孔質部５２を備えている。ここで、第２多孔質部５２は、第１多孔質部５０よりも、気孔率がより小さく形成されている。なお、既述した図１および図２では、冷却水流路形成部３２および冷却ガス流路形成部３４の形状を単純化して表わしているが、図３では、冷却水流路形成部３２および冷却ガス流路形成部３４における凹凸形状をより細かく記載している。
【００３１】
セパレータ２０は、カーボンや金属などの導電性材料によって形成されており、上記第１および第２多孔質部以外の領域（以下、セパレータ基部という）は、水分およびガスが不透過な部材により形成されている。例えば、セパレータ基部は、バインダを混合したカーボン粉末を圧縮成形した緻密質カーボンや、プレス成形した金属板により形成することができる。また、第１および第２多孔質部は、上記セパレータ基部を構成する部材と同種の材料により形成することが好ましい。例えば、セパレータ基部がカーボン製である場合には、第１および第２多孔質部は、カーボン粉末の形状やサイズ、あるいはバインダとの混合比率などを適宜選定することにより所望の気孔率にしたカーボン多孔質体により形成すればよい。また、セパレータ基部が金属製である場合には、第１および第２多孔質部は、所望の気孔率を有する焼結金属や金属メッシュなどの金属多孔質体により、形成すればよい。セパレータ基部と、第１および第２多孔質部とは、一体形成しても良いし、別体で形成した後に両者を結合させることとしても良い。
【００３２】
セパレータ２０では、多孔質体によって形成される第１多孔質部５０が、酸化ガス流路形成部３０が形成される領域全体において、酸化ガス流路形成部３０の表面を構成するように所定の厚みをもって配設されている。また、気孔率がより小さい第２多孔質部５２は、冷却ガス流路形成部３４が形成される領域において、冷却ガス流路形成部３４の表面を構成するように所定の厚みをもって配設されている（図３参照）。ここで、図３および後述する図４では、冷却ガス流路形成部３４が、所定の凹凸形状を有する様子を表わしている。セパレータ２０において第２多孔質部５２が形成される領域は、図１および図２では、水分授受領域５３として、破線で囲んで示している。また、上記水分授受領域５３では、酸化ガス流路形成部３０側に配設される第１多孔質部５０と、冷却ガス流路形成部３４側に配設される第２多孔質部５２とは、水分授受領域５３全体にわたって互いに接触している。
【００３３】
図３では、酸化ガス流路形成部３０において、ガス拡散層１３を備えるＭＥＡ１２と、セパレータ２０表面との間に、単セル内酸化ガス流路４０が形成される様子が示されている。また、図３では、セパレータ２０，２２が備える孔部２２ａによって酸化ガス供給マニホールド４４が形成され、セパレータ２０，２２が備える孔部２２ｂによって酸化ガス排出マニホールド４６が形成され、これらのマニホールドが単セル内酸化ガス流路４０と連通している様子が示されている。既述した水分授受領域５３は、単セル内酸化ガス流路４０から酸化ガスが排出される排出部、すなわち、単セル内酸化ガス流路４０における酸化ガス排出マニホールド４６との接続部の近傍に対応する領域となっている。
【００３４】
なお、セパレータ２２には、燃料ガス流路形成部が形成される領域全体において、燃料ガス流路形成部の表面を形成するように所定の厚みをもって、第１多孔質部５０と同様の第３多孔質部５４が配設されている（図３参照）。図３では、セパレータ２２の燃料ガス流路形成部において、ガス拡散層１４を備えるＭＥＡ１２と、第３多孔質部５４が配設されたセパレータ２２表面との間に、単セル内燃料ガス流路４２が形成される様子が示されている。セパレータ２２において、ＭＥＡ１２と対向する面と反対側の面には、セパレータ２０と同様に、冷却ガス流路形成部３５と冷却水流路形成部３３の形状に対応する所定の凹凸形状が設けられている。セパレータ２２では、これら冷却ガス流路形成部３５および冷却水流路形成部３３が形成される面には、多孔質体は配設されていない。
【００３５】
図３では、セパレータ２０の酸化ガス流路形成部３０によって所定の空間である単セル内酸化ガス流路４０が形成され、セパレータ２２の燃料ガス流路形成部によって所定の空間である単セル内燃料ガス流路４２が形成される様子を示したが、既述したように、酸化ガス流路形成部３０および燃料ガス流路形成部は、所定の形状の凸部を有していても良い。図４は、図３に示す断面と平行な断面であって、酸化ガス流路形成部３０および燃料ガス流路形成部において、ＭＥＡ１２上のガス拡散層と接する凸部が形成される断面の様子を表わす。なお、図３および図４に示すように、セパレータ２０のセパレータ基部では、冷却ガス流路形成部３４および冷却水流路形成部３２の周りにおいて、Ｏリングなどのシール部材３８が配設されており、セル間冷却ガス流路およびセル間冷却水流路をシールしている。
【００３６】
Ｃ．水分授受の動作：
燃料電池では、電気化学反応の進行に伴ってカソードで水が生じる。電気化学反応で生じた水は、単セル内酸化ガス流路４０を通過する酸化ガス中に気化して、酸化ガスと共に下流に流れる。そのため、単セル内酸化ガス流路４０においては、下流側ほどガス中の水分量が多くなる。本実施例の燃料電池では、酸化ガス流路形成部３０の表面に第１多孔質部５０を配設しているため、酸化ガス単セル内酸化ガス流路４０内の水分（液水および／または水蒸気）は、第１多孔質部５０内に取り込まれる。また、セパレータ２０には、第１多孔質部５０と連続して第２多孔質部５２が設けられているため、第１多孔質部５０内に取り込まれた水分は、第２多孔質部５２に移動して、第２多孔質部５２からセル間冷却ガス流路を流れる冷却ガス中に供給される。
【００３７】
ここで、単セル内酸化ガス流路４０内を通過する酸化ガス中の水分量が飽和蒸気圧を下回っているときには、単セル内酸化ガス流路４０から第１多孔質部５０および第２多孔質部５２を介して冷却ガス流路へと移動する水分は、水蒸気の状態で移動する。これに対して、単セル内酸化ガス流路４０を通過する酸化ガス中の水分量が多く、水が凝縮する場合には、凝縮水が第１多孔質部５０に一旦吸収された後に第２多孔質部５２に移動して、第２多孔質部５２から冷却ガス流路内に水が気化することによって、水分授受が行なわれる。単セル内酸化ガス流路４０内の凝縮水は、多孔質体によって形成される第１多孔質部５０において、毛管吸引力によって容易に内部に取り込まれ、さらに第２多孔質部５２に移動する。また、このように凝縮水が第１多孔質部５０に吸収される場合には、第１多孔質部５０および第２多孔質部５２が凝縮水を吸収することによってガスシールされ、単セル内酸化ガス流路４０と冷却ガス流路との間でガスが混じり合うのが抑えられる。なお、このような酸化ガスからの水分の取り込みおよびセル間冷却ガス流路側への水分移動を促進するために、第１多孔質部５０および第２多孔質部５２は、親水処理を施して親水性を高めることが望ましい。例えば、第１多孔質部５０および第２多孔質部５２をカーボン製の多孔質体によって形成する場合には、このカーボン多孔質体を過酸化水素水中で煮沸処理して、カーボン表面に水酸基（−ＯＨ基）を導入することにより、容易に親水性を付与することができる。
【００３８】
本実施例の燃料電池では、冷却ガスは、酸化ガスとして電気化学反応に供する空気を用いている。図５に、本実施例の燃料電池における冷却ガスおよび酸化ガスの流れを模式的に表わす。図５では、セパレータ２２の冷却ガス流路形成部３５が形成される面を用いて流路の接続関係を説明している。すなわち、空気ポンプ１６から、孔部２８ａが形成する冷却ガス供給マニホールドに対して、冷却ガスとして空気が供給され、供給された空気は、冷却ガス流路形成部３５が形成するセル間冷却ガス流路を介して、孔部２８ｂが形成する冷却ガス排出マニホールドへと流れる。このとき、セル間冷却ガス流路を通過する空気は、第１および第２多孔質部内を移動する水分によって加湿される。冷却ガス排出マニホールドに集合した空気は、接続流路１５に導かれて、孔部２２ａが形成する酸化ガス供給マニホールドに流入し、各単セル内酸化ガス流路に分配される。ここで、冷却ガス排出マニホールドおよび酸化ガス供給マニホールドは、燃料電池を積層方向に貫通する流路であるため、接続流路１５は、例えば、燃料電池の積層方向端部の一方において、冷却ガス排出マニホールド端部と酸化ガス供給マニホールド端部とを接続するように配設すればよい。あるいは、燃料電池を構成するスタック内で、各セル面内において、接続流路１５を設けることも可能である。
【００３９】
また、図５に示すように、本実施例の燃料電池では、空気ポンプと冷却ガス供給マニホールドとを接続する流路から分岐して、セル間冷却ガス流路を経由することなく空気を接続流路１５に導く空気分岐路１７が設けられている。この空気分岐路１７には、空気分岐路１７を通過する空気量を調節するための流量調整弁１８が設けられている。したがって、空気ポンプ１６および流量調整弁１８を制御することで、セル間冷却ガス流路を通過する空気量と、電気化学反応に供する空気量とを、それぞれ調節することができる。
【００４０】
なお、本実施例の燃料電池では、単セル内燃料ガス流路内を通過する燃料ガス中の水分は、第３多孔質部５４に吸収される。したがって、単セル内燃料ガス流路内で水が凝縮することがあっても、凝縮水は第３多孔質部５４に吸収されて、燃料ガス流路形成部表面全体に拡散する。これにより、第３多孔質部５４に吸収された水分は、より乾燥した燃料ガスが通過する領域や温度がより高い領域で燃料ガス中に気化し、凝縮水が局所的に滞留するのが抑えられる。
【００４１】
Ｄ．効果：
以上のように構成された本実施例の燃料電池によれば、第１多孔質部５０および第２多孔質部５２を介して、単セル内酸化ガス流路からセル間冷却ガス流路へと水分移動が可能となっているため、単セル内酸化ガス流路内に水分が滞留することに起因する不都合を防止することができる。このとき、圧力制御などの複雑な制御は必要でなく、セパレータにおいて酸化ガス流路と冷却ガス流路とを隔てる部位に多孔質体を配置するという簡単な構成により、単セル内酸化ガス流路からの排水を行なうことができる。ここで、第２多孔質部５２は、第１多孔質部５０よりも気孔率がより小さく形成されているため、第２多孔質部５２は、単セル内酸化ガス流路とセル間冷却ガス流路との間をガスが流通する際に抵抗として働く。したがって、気孔率がより小さい第２多孔質部５２を設けることにより、多孔質体を介して冷却ガスと酸化ガスとが混合するのを抑えることができる。例えば、単セル内酸化ガス流路内の酸化ガスが多孔質体を介してセル間冷却ガス流路に流出すると、酸化ガスが電気化学反応に充分に用いられる前に排出されることになり、酸化ガスの利用率が低下する可能性がある。また、セル間冷却ガス流路から単セル内酸化ガス流路に冷却ガス（空気）が流入すると、流入した空気は酸化ガスとして単セル内酸化ガス流路の上流側を通過することがないため、酸化ガスの利用率が低下する可能性がある。本実施例によれば、水分の移動は許容するがガスが行き来する際の抵抗となる第２多孔質部５２を設けることにより、このような不都合を防止することができる。さらに、本実施例では、単セル内酸化ガス流路側に配設した第１多孔質部５０において、気孔率をより大きくしているため、酸化ガス中の水分を、より容易に第１多孔質部５０に吸収することができる。このように、本実施例のセパレータ２０では、単セル内酸化ガス流路側に気孔率がより大きい多孔質体を配し、冷却ガス流路側に気孔率がより小さい多孔質体を配するという簡素な構成により、酸化ガス中の水分の排出を充分に確保すると共に、ガスの混合を抑える効果を容易に得ることができる。
【００４２】
ここで、第２多孔質部５２および第１多孔質部５０の気孔率、および、両者の気孔率の差は、単セル内酸化ガス流路内の酸化ガス圧や、セル間冷却ガス流路内の冷却ガス圧や、発電時における単セル内酸化ガス流路内の水分量などを考慮して、ガス混合を防ぐ効果と排水効率とが充分に実現されるように適宜設定すればよい。なお、本実施例では、第２多孔質部５２は第１多孔質部５０に比べて気孔率が小さいこととしたが、これに代えて、あるいはさらに加えて、気孔径が小さいこととしても良い。第２多孔質部５２と第１多孔質部５０との間で、気孔率および／または気孔径を異ならせることで、第１多孔質部５０によって酸化ガスからの水分吸収を充分に確保すると共に、第２多孔質部５２によって、ガスが透過する際の抵抗を充分に大きくすることができればよい。
【００４３】
また、本実施例の燃料電池では、第２多孔質部５２は、酸化ガス流路形成部３０において、酸化ガスが単セル内酸化ガス流路４０から排出される排出部近傍に対応する領域に設けられているため、酸化ガス流路内の水分を効率よく除去することができる。すなわち、単セル内酸化ガス流路では下流側ほど水分量が多くなるため、下流側ほど第１多孔質部５０内への水分吸収が多くなるが、第２多孔質部５２が上記排出部近傍に対応する領域に設けられていることにより、吸収された水分を速やかに冷却ガス流路側へと運ぶことができる。
【００４４】
また、本実施例の燃料電池では、冷却ガスとして空気を用い、セル間冷却ガス流路を通過することで加湿した空気を酸化ガスとして各単セルに供給している。そのため、電気化学反応に供するのに先立って、電解質膜の乾燥を防ぐために酸化ガスを加湿する装置を不要とする、あるいは上記加湿装置を小型化することができる。
【００４５】
さらに、本実施例では、第１多孔質部５０の気孔率をより大きくしており、酸化ガス流路形成部３０においてガス拡散層１３を備えるＭＥＡ１２と接する凸部を含む表面全体を、このような第１多孔質部５０によって形成している。そのため、電気化学反応が進行する触媒層への酸化ガスの拡散・供給を確保して、電池性能を向上させることができる。
【００４６】
なお、本実施例の燃料電池では、単セル内酸化ガス流路４０を流れる酸化ガスの下流側に対応する領域にセル間冷却ガス流路を設け、上流側に対応する領域にセル間冷却水流路を設けている。単セル内酸化ガス流路４０では、上流側ほど、酸化ガスにおける電極活物質濃度（酸素濃度）が高く電気化学反応がより活発であるため、温度上昇しやすい。このように、温度上昇しやすい領域を冷却するために、気体ではなく液体の冷媒を用いることで、燃料電池を効率よく冷却することが可能となる。
【００４７】
Ｅ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００４８】
Ｅ１．変形例１：
セパレータ２０における第２多孔質部５２および第１多孔質部５０の配設位置を、実施例とは異ならせることとしても良い。実施例では、第１多孔質部５０は酸化ガス流路形成部３０の表面全体を構成し、第２多孔質部５２は冷却ガス流路形成部３４の表面全体を構成しているが、第１多孔質部５０は酸化ガス流路形成部３０の表面の少なくとも一部を構成し、第２多孔質部５２は冷却ガス流路形成部３４の表面の少なくとも一部を構成していればよい。単セル内酸化ガス流路とセル間冷却ガス流路との間では、第２多孔質部５２を介してのみガスおよび水分のやり取りが可能であれば、ガスの混合を抑える同様の効果を得ることができる。
【００４９】
また、実施例では、冷却ガス流路形成部３４を酸化ガス流路形成部３０における酸化ガス流れの下流側領域に設けたが、異なる領域、あるいはより広い領域に設けることとしても良い。例えば、気体による冷却だけで充分であれば、冷却水流路形成部３２を設けることなくセパレータ２０の全面に冷却ガス流路形成部３４を設けることとしても良い。いずれの領域に冷却ガス流路形成部３４を設けても、冷却ガス流路形成部の表面の少なくとも一部を構成するように第２多孔質部５２を配設し、第１多孔質部５０から水分を供給可能であれば、同様の効果を得ることができる。
【００５０】
また、実施例では、第２多孔質部５２を、冷却ガス流路形成部の表面を構成しない裏側全面において第１多孔質部５０と接するように配設したが、異なる構成としても良い。第１多孔質部５０から第２多孔質部５２へと水分が移動可能であればよい
【００５１】
Ｅ２．変形例２：
実施例では、単セル内酸化ガス流路４０とセル間冷却ガス流路との間に配設されるセパレータ２０において、第２多孔質部５２および第１多孔質部５０を設けることとしたが、単セル内燃料ガス流路とセル間冷却ガス流路との間に配設されるセパレータ２２において同様の多孔質部を設けることとしても良い。電気化学反応で利用する反応ガスである燃料ガスの流路において本発明を適用すれば、単セル内燃料ガス流路内の水分を冷却ガス流路側に排出することができると共に、燃料ガスと冷却ガスとが混合するのを抑えることができる。なお、この場合には、冷却ガスとしては、単セル内燃料ガス流路に供給する前の燃料ガスを用いることが望ましい。すなわち、排水の対象となる反応ガスと同種のガスを冷却ガスとして用いることが望ましい。
【００５２】
Ｅ３．変形例３：
実施例では、第１および第２多孔質部を利用して水分を除去する対象となる反応ガスと同種のガスを冷却ガスとして用いているが、異種のガスを冷却ガスとして用いても良い。この場合には、反応ガスに混入しても電気化学反応に影響を与えないガスを冷却ガスとして選択することが望ましい。また、冷却ガス圧を反応ガス圧よりも低くするならば、冷却ガスが反応ガスに混入するのを効果的に防止できる。
【００５３】
Ｅ４．変形例４：
あるいは、セパレータ２０とセパレータ２２との両方に第１および第２多孔質部を設けることとしても良い。このような構成とすれば、単セル内酸化ガス流路４０と単セル内燃料ガス流路４２の両方において排水を行なうと共に、反応ガスの流出あるいは反応ガスへの冷却ガスの流入を抑える同様の効果を得ることができる。このとき、冷却ガス圧を、燃料ガス圧および酸化ガス圧よりも充分に低くすれば、燃料ガスと酸化ガスとが混じり合うことを確実に防止できる。
【００５４】
Ｅ５．変形例５：
実施例では、燃料電池は固体高分子型燃料電池としたが、異なる種類の燃料電池に適用することも可能である。セパレータを含む部材を積層して構成する燃料電池であって、発電中に反応ガス流路中の水分量が増加し、燃料電池を冷却するために冷却ガスを用いる燃料電池であれば、本発明を適用して同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】単セル１０の構成を表わす分解斜視図である。
【図２】セパレータ２０の様子を表わす平面図である。
【図３】単セル１０の内部構成を模式的に表わす断面図である。
【図４】単セル１０の内部構成を模式的に表わす断面図である。
【図５】冷却ガスおよび酸化ガスの流れを模式的に表わす説明図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０…単セル
１２…ＭＥＡ
１３，１４…ガス拡散層
１５…接続流路
１６…空気ポンプ
１７…空気分岐路
１８…流量調整弁
２０，２２…セパレータ
２２ａ，２２ｂ…孔部
２４ａ，２４ｂ…孔部
２６ａ，２６ｂ…孔部
２８ａ，２８ｂ…孔部
３０…酸化ガス流路形成部
３２，３３…冷却水流路形成部
３４，３５…冷却ガス流路形成部
３８…シール部材
４０…単セル内酸化ガス流路
４２…単セル内燃料ガス流路
４４…酸化ガス供給マニホールド
４６…酸化ガス排出マニホールド
５０…第１多孔質部
５２…第２多孔質部
５３…水分授受領域
５４…第３多孔質部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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